Wetten van de thermodynamica: definitie, vergelijkingen en voorbeelden

De perpetuum mobile is een van de vele perpetuum mobile-machines die in de loop der jaren zijn ontworpen met als doel continue beweging te produceren, en vaak, als resultaat, gratis energie. Het ontwerp is vrij eenvoudig: water stroomt naar beneden vanaf een verhoogd platform over een waterrad, dat is bevestigd aan tandwielen, die op hun beurt een pomp bedienen die water van het oppervlak terug naar het verhoogde platform trekt, waar het proces opnieuw begint opnieuw.

Als je voor het eerst over een ontwerp als dit hoort, denk je misschien dat het mogelijk en zelfs een goed idee is. En wetenschappers van die tijd waren het erover eens, totdat de wetten van de thermodynamica werden ontdekt en ieders hoop op eeuwigdurende beweging in één klap de kop indrukte.

De wetten van de thermodynamica zijn enkele van de belangrijkste wetten van de natuurkunde. Ze zijn bedoeld om energie te beschrijven, inclusief hoe het wordt overgedragen en geconserveerd, samen met het cruciale concept van deentropievan een systeem, dat het deel is dat alle hoop op eeuwigdurende beweging doodt. Als je natuurkunde studeert, of gewoon de vele thermodynamica wilt begrijpen, processen die overal om je heen plaatsvinden, is het leren van de vier wetten van de thermodynamica een cruciale stap op weg jouw reis.

Thermodynamica is een tak van de natuurkunde die bestudeertwarmte-energie en interne energiein thermodynamische systemen. Warmte-energie is de energie die door warmteoverdracht wordt doorgegeven, en interne energie kan worden gezien als de som van de kinetische energie en potentiële energie voor alle deeltjes in een systeem.

Door de kinetische theorie als hulpmiddel te gebruiken - die de eigenschappen van het lichaam van materie verklaart door de bewegingen van de samenstellende deeltjes - natuurkundigen hebben veel cruciale relaties kunnen afleiden tussen belangrijke hoeveelheden. Natuurlijk zou het onpraktisch zijn om de totale energie van miljarden atomen te berekenen, gezien de effectieve willekeur van hun nauwkeurige bewegingen, dus de processen die werden gebruikt om de relaties af te leiden, waren gebouwd rond statistische mechanica en dergelijke benaderingen.

In wezen gaf het vereenvoudigen van aannames en een focus op het "gemiddelde" gedrag over een groot aantal moleculen: wetenschappers de tools om het systeem als geheel te analyseren, zonder vast te lopen in eindeloze berekeningen voor miljarden van atomen.

Om de wetten van de thermodynamica te begrijpen, moet u ervoor zorgen dat u enkele van de belangrijkste termen begrijpt.Temperatuuris een maat voor de gemiddelde kinetische energie per molecuul in een stof - d.w.z. hoeveel de moleculen bewegen (in een vloeistof of gas) of op hun plaats trillen (in een vaste stof). De SI-eenheid voor temperatuur is Kelvin, waarbij 0 Kelvin bekend staat als "absoluut nul", wat de. is koudst mogelijke temperatuur (in tegenstelling tot nultemperatuur in andere systemen), waarbij alle moleculaire beweging stopt.

​Interne energieis de totale energie van de moleculen in een systeem, dat wil zeggen de som van hun kinetische energie en potentiële energie. Een verschil in temperatuur tussen twee stoffen laat warmte stromen, wat dethermische energiedie van de een naar de ander overgaat.Thermodynamisch werkis mechanisch werk dat wordt uitgevoerd met behulp van warmte-energie, zoals in een warmtemotor (ook wel een Carnot-motor genoemd).

​Entropieis een concept dat moeilijk duidelijk in woorden te definiëren is, maar wiskundig wordt het gedefinieerd als de Boltzmann-constante (k​ = 1.381 × 10⁻²³ m² kg s⁻¹ K⁻¹) vermenigvuldigd met de natuurlijke logaritme van het aantal microtoestanden in een systeem. In woorden, het wordt vaak de maatstaf van 'wanorde' genoemd, maar het kan nauwkeuriger worden gezien als de mate van waarbij de toestand van een systeem macroscopisch niet te onderscheiden is van een groot aantal andere toestanden niveau.

Een verwarde koptelefoondraad heeft bijvoorbeeld een groot aantal specifieke mogelijke arrangementen, maar de meeste zien er gewoon uit net zo "verward" als de andere en hebben dus een hogere entropie dan een toestand waarin de draad netjes is opgerold zonder in de war te raken.

De nulde wet van de thermodynamica krijgt zijn nummer omdat de eerste, tweede en derde wet de meest bekende en veel onderwezen, maar het is net zo belangrijk als het gaat om het begrijpen van de interacties van thermodynamica systemen. De nulde wet stelt dat als thermisch systeem A in thermisch evenwicht is met thermisch systeem B, en systeem B is in thermisch evenwicht met systeem C, dan moet systeem A in evenwicht zijn met systeem C.

Dit is gemakkelijk te onthouden als je bedenkt wat het betekent als het ene systeem in evenwicht is met het andere. Denken in warmte en temperatuur: Twee systemen zijn met elkaar in evenwicht wanneer de warmte als zodanig is gestroomd om ze op dezelfde temperatuur, zoals de gelijkmatige warme temperatuur die je enige tijd krijgt nadat je kokend water in een kan kouder hebt gegoten water.

Wanneer ze in evenwicht zijn (d.w.z. op dezelfde temperatuur), vindt er geen warmteoverdracht plaats of wordt een kleine hoeveelheid warmtestroom snel tenietgedaan door een stroom van het andere systeem.

Als je hierover nadenkt, is het logisch dat als je een derde systeem in deze situatie brengt, het zal verschuiven naar: evenwicht met het tweede systeem, en als het in evenwicht is, zal het ook in evenwicht zijn met het eerste systeem ook.

De eerste wet van de thermodynamica stelt dat de verandering in interne energie voor een systeem (∆U) is gelijk aan de warmte die aan het systeem wordt overgedragen (Vraag) minus het werk gedaan door het systeem (W). In symbolen is dit:

Dit is in wezen een verklaring van de wet van behoud van energie. Het systeem wint energie als er warmte aan wordt overgedragen en verliest het als het op een ander systeem werkt, en de energiestroom wordt omgekeerd in de tegenovergestelde situaties. Onthoud dat warmte een vorm van energieoverdracht is en werk de overdracht van mechanische energie is, het is gemakkelijk in te zien dat deze wet eenvoudigweg het behoud van energie herhaalt.

De tweede wet van de thermodynamica stelt dat de totale entropie van een gesloten systeem (d.w.z. een geïsoleerd systeem) nooit afneemt, maar kan toenemen of (theoretisch) gelijk kan blijven.

Dit wordt vaak geïnterpreteerd in de zin dat de "stoornis" van een geïsoleerd systeem in de loop van de tijd toeneemt, maar zoals hierboven besproken, is dit geen strikt nauwkeurige manier om naar het concept te kijken, hoewel het in grote lijnen is Rechtsaf. De tweede wet van de thermodynamica stelt in wezen dat willekeurige processen leiden tot "wanorde" in de strikte wiskundige zin van het woord.

Een andere veelvoorkomende bron van misvatting over de tweede wet van de thermodynamica is de betekenis van een “gesloten” systeem." Dit moet worden gezien als een systeem dat geïsoleerd is van de buitenwereld, maar zonder dit isolement, entropiekanverminderen. Een rommelige slaapkamer die op zichzelf staat, wordt bijvoorbeeld nooit opgeruimder, maar hetkanschakel over naar een meer georganiseerde staat met een lagere entropie als iemand binnenkomt en eraan werkt (d.w.z. het opschoont).

De derde wet van de thermodynamica stelt dat als de temperatuur van een systeem het absolute nulpunt nadert, de entropie van het systeem een ​​constante nadert. Met andere woorden, de tweede wet laat de mogelijkheid open dat de entropie van een systeem constant kan blijven, maar de derde wet verduidelijkt dat dit alleen gebeurt bijabsolute nulpunt​.

De derde wet houdt ook in dat (en wordt soms ook zo genoemd) het onmogelijk is om de temperatuur van een systeem tot het absolute nulpunt te verlagen met een eindig aantal bewerkingen. Met andere woorden, het is in wezen onmogelijk om het absolute nulpunt daadwerkelijk te bereiken, hoewel het mogelijk is om er heel dichtbij te komen en de toename in entropie voor het systeem te minimaliseren.

Wanneer systemen heel dicht bij het absolute nulpunt komen, kan ongewoon gedrag het gevolg zijn. Bijvoorbeeld, dicht bij het absolute nulpunt verliezen veel materialen alle weerstand tegen de stroom van elektrische stroom en verschuiven ze naar een toestand die supergeleiding wordt genoemd. Dit komt omdat weerstand tegen stroom wordt gecreëerd door de willekeur van de beweging van de kernen van de atomen in de geleider - dicht bij het absolute nulpunt, ze bewegen nauwelijks, en dus wordt de weerstand geminimaliseerd.

De wetten van de thermodynamica en de wet van het behoud van energie verklaren waarom perpetuum mobile niet mogelijk is. Er zal altijd wat "afval"-energie worden gecreëerd in het proces voor welk ontwerp je ook kiest, in overeenstemming met de tweede wet van de thermodynamica: de entropie van het systeem zal toenemen.

De wet van behoud van energie laat zien dat alle energie in de machine ergens vandaan moet komen, en de neiging tot entropie laat zien waarom de machine energie niet perfect van de ene vorm naar de andere kan overbrengen.

Gebruikmakend van het waterrad en pompvoorbeeld uit de inleiding, moet het waterrad bewegende delen hebben (bijvoorbeeld de as en zijn verbinding met het wiel en de tandwielen die de energie naar de pomp overbrengen), en deze zullen wrijving veroorzaken, waardoor er wat energie verloren gaat warmte.

Dit lijkt misschien een klein probleem, maar zelfs met een kleine dip in de energie-output, zal de pomp het niet kunnen krijgenallevan het water terug naar het verhoogde oppervlak, waardoor de beschikbare energie voor de volgende poging wordt verminderd. Dan, de volgende keer, zal er nog meer energie worden verspild en meer water dat niet kan worden opgepompt, enzovoort. Daarnaast zal er ook energieverlies zijn door de mechanismen van de pomp.

Als je aan de tweede wet van de thermodynamica denkt, vraag je je misschien af: als de entropie van een geïsoleerde systeem toeneemt, hoe is het mogelijk dat zo'n sterk "geordend" systeem als een mens tot stand is gekomen? worden? Hoe neemt mijn lichaam ongeordende input in de vorm van voedsel op en zet het om in zorgvuldig ontworpen cellen en organen? Zijn deze punten niet in strijd met de tweede wet van de thermodynamica?

Deze argumenten maken beide dezelfde fout: mensen zijn geen "gesloten systeem" (d.w.z. geïsoleerd systeem) in de strikte zin van de wereld omdat je interactie hebt met en energie kunt halen uit de omgeving universum.

Toen het leven voor het eerst op aarde verscheen, hoewel de materie transformeerde van een toestand met hogere entropie naar een toestand met lagere entropie, er was een energie-invoer in het systeem van de zon, en deze energie stelt een systeem in staat om een ​​lagere entropie te krijgen over tijd. Merk op dat in de thermodynamica het "universum" vaak wordt opgevat als de omgeving die een staat omringt, in plaats van het hele kosmische universum.

Voor het voorbeeld van het menselijk lichaam dat orde schept in het proces van het maken van cellen, organen en zelfs andere mensen, is het antwoord: hetzelfde: je neemt energie van buiten op, en dit stelt je in staat om sommige dingen te doen die de tweede wet van lijken te tarten thermodynamica.

Als je volledig was afgesloten van andere energiebronnen en je hebt alle opgeslagen energie van je lichaam opgebruikt, dan zou inderdaad waar zijn dat je geen cellen kunt produceren of een van de activiteiten kunt uitvoeren die je tegenhouden functioneren. Zonder je schijnbare verzet tegen de tweede wet van de thermodynamica, zou je sterven.